Краткие сведения из теории

Для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение применяют выпрямительные устройства. В выпрямительное устройство обычно входят трансформатор, один или несколько диодов, сглаживающий фильтр, электронный стабилизатор постоянного напряжения. В зависимости от условий работы отдельные элементы выпрямительного устройства могут отсутствовать.

Выбор той или иной схемы источника напряжения вторичного питания обусловлен параметрами питающей сети, требованиями к выходным электрическим параметрам, конструктивным особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью и перечнем разрешенных к применению элементов.

В большинстве случаев для питания измерительных приборов используется однофазная сеть, с действующим значением напряжения 220 В, 50 Гц.

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 6.1.

Рисунок 6.1 ‑ Схема однополупериодного выпрямителя

Для упрощения анализа будем считать диод идеальным, т.е. будем полагать, что его сопротивление в прямом направлении равно нулю, а в обратном - бесконечности. Тогда в течение первого полупериода входного напряжения, когда на аноде диода VD будет положительный относительно катода потенциал, диод будет открыт.

Напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора будет непосредственно приложено к нагрузке R_н и в ней возникнет ток i_н (рис. 6.2), который будет повторять форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора. В течение второго полупериода входного напряжения на аноде диода VD будет отрицательный относительно катода потенциал, диод будет закрыт, а ток в нагрузке окажется равным нулю.

Рисунок 6.2 ‑ временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

Постоянная составляющая выходного напряжения однополупериодной схемы выпрямителя

, (6.1)

где u₂ ‑ действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Из переменных составляющих максимальную амплитуду u₁_m имеет составляющая с частотой ω, которая может быть легко найдена из разложения выходного напряжения в ряд Фурье. В однополупериодной схеме выпрямителя u₁_m = 1,57 u₀, т.е. пульсации выходного напряжения велики, что является ее существенным недостатком.

При проектировании однополупериодных выпрямителей важно правильно выбрать тип диода, который удовлетворительно работал бы в такой схеме. Этот выбор проводят на основе двух соображений. Во-первых, допустимый ток диода должен превышать величину i_m. Во-вторых, диод должен обладать определенной электрической прочностью. Последняя связана с тем, что в течение тех полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено напряжение, равное напряжению на вторичной обмотке трансформатора, причем это напряжение имеет обратную для диода полярность («минус» на аноде). Максимальная величина этого напряжения, называемая обратным напряжением u_обр, в нашем случае равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т. е. в однополупериодной схеме выпрямителя

u_обр= u₂_m , (6.2)

а допустимое обратное напряжение диода должно быть больше u_1m.

Один из вариантов двухполупериодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме, приведен на рис. 6.3,а. Здесь переменное напряжение подводится к одной диагонали моста, а выпрямленное напряжение снимается с другой.

Рассмотрим работу схемы. Пусть в некоторый момент времени переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора таково, что потенциал точки а выше потенциала точки в. Тогда от точки а («+» источника напряжения) ток будет проходить через диод VD1 к точке г, далее через нагрузку к точке б и через диод VD3 к точке в («-» источника напряжения). В течение следующего полупериода, когда потенциал точки в выше потенциала точки а, ток от точки в будет проходить через диод VD4 нагрузку и диод VD2 к точке а. Для первого полупериода направление тока показано сплошными стрелками, для второго полупериода - пунктирными стрелками. В любой полупериод ток через нагрузку проходит в одном направлении.

Временные диаграммы напряжений и токов для мостовой схемы выпрямителя приведены на рисунке 6.3,б.


Рисунок 6.3 ‑ Схема (а) и временные диаграммы (б) двухполупериодного выпрямителя

Отношение действующего значения напряжения вторичной обмотки к среднему значению выпрямленного напряжения равно коэффициенту формы синусоидального напряжения, поэтому

. (6.3)

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно амплитудному значению приложенного напряжения, так как в один из полупериодов, когда ток проходит через диоды 1 и 3, диоды 2 и 4 оказываются включенными параллельно и к ним приложено напряжение u₂, а в другой полупериод напряжение и₂ приложено к параллельно включенным диодам 1 и 3. Таким образом,

. (6.4)

Среднее значение тока вентиля

. (6.5)

Емкостной фильтр С_ф включают параллельно нагрузочному резистору R_н (рис. 6.3,а). При таком включении конденсатор С_ф заряжается через диод до амплитудного значения напряжения u₂_m в момент времени, когда напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение u_с на конденсаторе (рис.6.3,б).

Этому режиму соответствует интервал времени t_x…t₂. В течение интервала времени t₂…t₃ напряжение u_с> u₂, диод закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R_н с постоянной времени m = С_ф·R_н. При этом напряжение u_н снижается до некоторого наименьшего значения. Начиная с момента времени t₃, напряжение u_с на конденсаторе становится меньше напряжения u₂. Диод открывается, конденсатор С_ф начинает заряжаться, и процессы повторяются. Как показывают временные диаграммы (рис. 6.3,б), при включении емкостного фильтра напряжение и_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Временные диаграммы двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром (рис. 6.3,в) приведены на рис. 6.3,г.

Рисунок 6.3 ‑ Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а)

и мостовым (в) выпрямителями; временные диаграммы напряжений и токов

однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром

Емкость конденсатора С_фвыбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше R_н, т.е.

или . (6.6)

При таком выборе величины емкости конденсатора постоянная времени разряда τ_раз значительно больше периода изменения выпрямленного напряжения

, (6.7)

и конденсатор С_ф разряжается сравнительно медленно, т.е. напряжение на нем уменьшается несущественно. Это приводит к увеличению среднего значения напряжения на нагрузочном резисторе и, по сравнению с величиной u_{н ср} при отсутствии фильтра и уменьшению переменной составляющей, а, следовательно, к снижению коэффициента пульсаций ε.

При использовании емкостных фильтров следует иметь в виду, что импульсы тока при открытом диоде определяются сопротивлениями диода

Такие скачки тока могут привести к выходу диода из строя. Это особенно опасно для полупроводниковых и ионных электровакуумных диодов, так как их сопротивления при прямом включении имеют небольшую величину. Для ограничения величины тока через диод последовательно с ним следует включать добавочный резистор.

Применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомном нагрузочном резисторе, так как выпрямленное напряжение и коэффициент сглаживания имеют большие величины, чем при низкоомном нагрузочном резисторе.

Оценка сглаживающего действия фильтра производится по коэффициенту фильтрации р, под которым понимают отношение коэффициента пульсации по основной гармонике на входе фильтра ε_х к коэффициенту пульсации на его выходе

. (6.8)

Для практических расчетов обычно под коэффициентом пульсации понимают отношение

, (6.9)

где ‑ амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения;

u_ср ‑ среднее значение выпрямленного напряжения, равное постоянной составляющей ряда Фурье.

Пример определения коэффициента пульсации напряжения на входе выпрямителя с фильтром приведен на рис. 6.4.

При работе выпрямительного устройства часть выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора и на прямом сопротивлении открытого диода. Следовательно, с ростом величины выпрямленного тока i_{н ср} увеличивается падение напряжения на этих сопротивлениях и напряжение на нагрузочном устройстве u_н уменьшается.

Зависимость u_н = f(i_н) называется внешней характеристикой. Эта характеристика является одной из важнейших характеристик выпрямительного устройства. Сопротивление открытого диода зависит от величины тока, поэтому и зависимость u_н = f(i_н) нелинейна (рис. 6.5, кривая 1). Если в выпрямительное устройство включен фильтр, то зависимость u_н = f(i_н) изменится. Емкостному фильтру соответствует кривая 2. Помимо емкостных фильтров, для фильтрации выпрямленного напряжения можно использовать индуктивность (дроссель), включаемую последовательно с сопротивлением нагрузки

Рисунок 6.4 ‑ Определение пульсаций выпрямителя

Рисунок 6.5 ‑ Внешние характеристики выпрямителей

Эксперимент 1: Исследование однополупериодного выпрямителя

Однополупериодная схема, представленная на рис. 6.6, является простейшей схемой выпрямителя. Она характеризуется низким коэффициентом использования трансформатора и большой амплитудой пульсаций выпрямленного напряжения. Требует использования сглаживающего фильтра.

Рисунок 6.6 Схема к эксперименту 1

1. Создайте схему рис. 6.6. Используйте диод 1N4009. Сначала следует исследовать работу выпрямителя без емкостного фильтра, отключив его. На вход А осциллографа подается входной сигнал, а на вход В ‑ выходной. Сохраните осциллограммы.

2. Измерьте максимальные входные и выходные напряжения. Устанавливая различные значения сопротивления нагрузки выпрямителя (резистор R1), снимите показания вольтметра и амперметра, занеся их в таблицу 6.1.

Снимите характеристику однополупериодного выпрямителя, работающего без емкостного фильтра. Затем подключите емкостный фильтр и снимите и характеристику выпрямителя с фильтром.

Сохраните осциллограммы напряжений при двух различных значениях емкостей фильтрующего конденсатора.

Таблица 3.1 - Внешняя характеристика однополупериодного выпрямителя

Параметр	Без фильтра	С емкостным фильтром
u_н,В
i_н, мА

Вычислите для этих значений емкостей конденсатора фильтра среднее значение напряжения и коэффициент пульсаций.

Эксперимент 2: Исследование двухполупериодного выпрямителя